本發(fā)明屬于復(fù)雜曲面表面粗糙度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于標(biāo)準(zhǔn)掃描方式的負(fù)曲率直紋曲面表面粗糙度測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)：

表面粗糙度是機(jī)械加工中用來(lái)描述表面微觀形貌非常重要的一個(gè)參數(shù)，表面粗糙度測(cè)量技術(shù)是現(xiàn)代精密測(cè)試計(jì)量技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。

現(xiàn)有的粗糙度測(cè)量?jī)x從測(cè)量使用方便性，主要分為手持便捷式和臺(tái)式兩種，前者體積小巧便捷，姿態(tài)可任意調(diào)整，但需手動(dòng)調(diào)整，無(wú)法實(shí)現(xiàn)重復(fù)定點(diǎn)定位；后者體積較大，操作復(fù)雜，但能夠精確定位到待測(cè)區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)重復(fù)定點(diǎn)定位測(cè)量，且測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)。從測(cè)量原理上，主要分為接觸式和非接觸式兩種，其中接觸式粗糙度儀發(fā)展較為成熟、測(cè)量精度更高、測(cè)量范圍廣、工作穩(wěn)定，因而市場(chǎng)上大多采用觸針式的測(cè)量方法。

當(dāng)前，測(cè)頭可沿空間三坐標(biāo)自由移動(dòng)的臺(tái)式接觸式粗糙度測(cè)量?jī)x能夠很好的完成曲率相對(duì)較小曲面的表面粗糙度測(cè)量。然而，如圖1所示，直紋曲面作為曲面中具有大曲率特征的負(fù)曲率曲面的典型代表，一般的三軸臺(tái)式接觸式粗糙度測(cè)量?jī)x因其測(cè)頭只具備伸縮掃描功能，使得在測(cè)量這類(lèi)工件表面粗糙度時(shí)，無(wú)法通過(guò)調(diào)整工件的安裝姿態(tài)，以保證粗糙度測(cè)量探針的掃描方向垂直于直紋曲面的加工紋理方向。根據(jù)《GB 10610-89觸針式儀器測(cè)量表面粗糙度的規(guī)則和方法》，這種測(cè)量結(jié)果是不符合要求的，測(cè)量結(jié)果也是不準(zhǔn)確的。

近幾年出現(xiàn)的REVO五軸測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、雷尼紹Revo測(cè)座以及SFP1粗糙度測(cè)頭，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜空間曲面表面粗糙度的接觸式測(cè)量。然而，在測(cè)量上述直紋曲面表面粗糙度時(shí)，由于SFP1粗糙度測(cè)頭也只具備伸縮掃描功能，因而為了使探針的掃描方向符合垂直于加工紋理方向的要求，在測(cè)量過(guò)程中REVO五軸測(cè)量系統(tǒng)需借助三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)各平動(dòng)軸的聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)來(lái)滿足這一要求。該測(cè)量方式雖可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間曲面表面粗糙度的測(cè)量且探針的掃描方向符合GB 10610-89的要求，但測(cè)量過(guò)程中三坐標(biāo)機(jī)各平動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)誤差勢(shì)必會(huì)使得測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決上述問(wèn)題，提供一種結(jié)構(gòu)合理，測(cè)量準(zhǔn)確度高的負(fù)曲率直紋曲面表面粗糙度測(cè)量裝置。

本發(fā)明的另一目的是提供一種負(fù)曲率直紋曲面表面粗糙度測(cè)量方法，以實(shí)現(xiàn)具有大曲率特征的負(fù)曲率直紋曲面上任一點(diǎn)表面粗糙度的重復(fù)定點(diǎn)定位測(cè)量，且確保測(cè)量過(guò)程中的掃描方式符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種負(fù)曲率直紋曲面表面粗糙度測(cè)量裝置，包括：

安裝部件，用于安裝各單元，包括基座以及位于基座上方的橫梁；

平動(dòng)單元，用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量單元相對(duì)于工作平臺(tái)的三軸向位移，包括沿X軸方向安裝在基座上的X向滑臺(tái)，沿Y軸方向安裝在橫梁上的Y向滑臺(tái)，沿Z軸方向安裝在Y向滑臺(tái)的移動(dòng)端上的Z向滑臺(tái)；

工作平臺(tái)，用于放置待測(cè)工件，安裝在X向滑臺(tái)的移動(dòng)端上；

轉(zhuǎn)動(dòng)單元，用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量單元的姿態(tài)的調(diào)整，安裝在Z向滑臺(tái)的移動(dòng)端上，測(cè)量單元安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)單元的轉(zhuǎn)動(dòng)端上。

優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)動(dòng)單元包括A軸電機(jī)、B軸電機(jī)和C軸電機(jī)，C軸電機(jī)沿Z軸方向安裝在Z向滑臺(tái)的移動(dòng)端上，B軸電機(jī)安裝在C軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)端上，B軸電機(jī)軸線與C軸電機(jī)軸線正交；A軸電機(jī)安裝在B軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)端上，A軸電機(jī)軸線與B軸電機(jī)軸線正交。

優(yōu)選地，所述A軸電機(jī)、B軸電機(jī)和C軸電機(jī)的軸線交于一點(diǎn)。

優(yōu)選地，所述A軸電機(jī)通過(guò)A軸電機(jī)安裝座安裝在B軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)端上，B軸電機(jī)通過(guò)B軸電機(jī)安裝座安裝在C軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)端上，C軸電機(jī)通過(guò)C軸電機(jī)安裝座安裝在Z向滑臺(tái)的移動(dòng)端上。

優(yōu)選地，所述測(cè)量單元包括粗糙度測(cè)頭以及用于固定粗糙度測(cè)頭的夾頭，夾頭安裝在A軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)端上，粗糙度測(cè)頭的探針位于A軸電機(jī)的軸線上。

優(yōu)選地，所述粗糙度測(cè)頭為觸針式，探針掃描方式為橫向移動(dòng)式。

本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種負(fù)曲率直紋曲面表面粗糙度測(cè)量方法，包括如下步驟：

S1、將待測(cè)工件裝夾在工作平臺(tái)上，并確定機(jī)床原點(diǎn)和工件原點(diǎn)，將工件原點(diǎn)設(shè)定為基準(zhǔn)坐標(biāo)系原點(diǎn)；

S2、給定粗糙度測(cè)頭的探針沿待測(cè)點(diǎn)法向方向移動(dòng)的搜索距離L，以確定定位點(diǎn)；

S3、給定粗糙度測(cè)頭向定位點(diǎn)移動(dòng)的定位速度V₁，以及從定位點(diǎn)向待測(cè)點(diǎn)移動(dòng)的測(cè)量速度V₂；

S4、使定粗糙度測(cè)頭首先以給定的定位速度V₁從基準(zhǔn)坐標(biāo)系原點(diǎn)移動(dòng)至定位點(diǎn)，且到達(dá)的姿態(tài)為：探針的法線方向?yàn)榇郎y(cè)點(diǎn)的法向方向、探針的掃描方向?yàn)檠刂奔y曲面基線方向的切向方向；然后以測(cè)量速度V₂從定位點(diǎn)沿待測(cè)點(diǎn)的法向方向移動(dòng)，直至到達(dá)待測(cè)點(diǎn)；

優(yōu)選地，所述直紋曲面基線方向的切向量垂直于刀具的加工紋理方向。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明所提供的負(fù)曲率直紋曲面表面粗糙度測(cè)量裝置及方法，可實(shí)現(xiàn)具有大曲率特征的負(fù)曲率直紋曲面工件的表面粗糙度的測(cè)量，且測(cè)量過(guò)程中的掃描方式符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。此外，通過(guò)輸入坐標(biāo)的方式設(shè)定待測(cè)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)待測(cè)工件表面任一點(diǎn)的重復(fù)定點(diǎn)定位測(cè)量，使用戶操作更為便捷。

附圖說(shuō)明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中具有大曲率特征的負(fù)曲率直紋曲面的工件；

圖2是本發(fā)明負(fù)曲率直紋曲面表面粗糙度測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明安裝部件和平動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明轉(zhuǎn)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明測(cè)量單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明測(cè)量單元的同軸安裝示意圖；

圖7是本發(fā)明粗糙度測(cè)頭探針的橫向掃描示意圖；

圖8是本發(fā)明負(fù)曲率直紋曲面表面粗糙度測(cè)量方法的定位及測(cè)量過(guò)程示意圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：1、安裝部件；11、基座；12、橫梁；13、立柱；2、平動(dòng)單元；21、X向滑臺(tái)；22、Y向滑臺(tái)；221、Y向移動(dòng)件；23、Z向滑臺(tái)；3、轉(zhuǎn)動(dòng)單元；31、A軸電機(jī)；32、A軸電機(jī)安裝座；33、B軸電機(jī)；34、B軸電機(jī)安裝座；35、C軸電機(jī)；36、C軸電機(jī)安裝座；4、測(cè)量單元；41、粗糙度測(cè)頭；411、探針；42、夾頭；5、工作平臺(tái)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明：

如圖2至圖7所示，本發(fā)明的一種負(fù)曲率直紋曲面表面粗糙度測(cè)量裝置，包括安裝部件1、平動(dòng)單元2、轉(zhuǎn)動(dòng)單元3、測(cè)量單元4和工作平臺(tái)5，安裝部件1用于安裝各單元，包括基座11、橫梁12和立柱13；立柱13對(duì)稱安裝于基座11上，橫梁12采用雙端支撐的方式安裝于所述的立柱13上。

工作平臺(tái)5用于放置待測(cè)工件，如圖3所示，基座和工作平臺(tái)都優(yōu)選為長(zhǎng)方體，工作平臺(tái)的長(zhǎng)邊、短邊、高度方向分別平行于基座的長(zhǎng)邊、短邊、高度方向。并將工作平臺(tái)的長(zhǎng)邊方向設(shè)為該裝置基準(zhǔn)坐標(biāo)系的X軸方向，工作臺(tái)的短邊方向設(shè)為該裝置基準(zhǔn)坐標(biāo)系的Y軸方向，工作臺(tái)的高度方向設(shè)為該裝置基準(zhǔn)坐標(biāo)系的Z軸方向。

平動(dòng)單元2用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量單元4相對(duì)于工作平臺(tái)5的三軸向位移，包括X向滑臺(tái)21、Y向滑臺(tái)22和Z向滑臺(tái)23。X向滑臺(tái)21沿X軸方向安裝在基座11中間位置上，工作平臺(tái)5安裝在X向滑臺(tái)21的移動(dòng)端上。Y向滑臺(tái)22沿Y軸方向安裝在橫梁12上，Z向滑臺(tái)23沿Z軸方向安裝在Y向滑臺(tái)22的移動(dòng)端Y向移動(dòng)件221上。X向滑臺(tái)、Y向滑臺(tái)和Z向滑臺(tái)均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

轉(zhuǎn)動(dòng)單元3用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量單元4的姿態(tài)的調(diào)整，轉(zhuǎn)動(dòng)單元3安裝在Z向滑臺(tái)23的移動(dòng)端上，測(cè)量單元4安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)單元3的轉(zhuǎn)動(dòng)端上。

轉(zhuǎn)動(dòng)單元3包括A軸電機(jī)31、B軸電機(jī)33和C軸電機(jī)35，C軸電機(jī)35沿Z軸方向安裝在Z向滑臺(tái)23的移動(dòng)端上，B軸電機(jī)33安裝在C軸電機(jī)35的轉(zhuǎn)動(dòng)端上，B軸電機(jī)33軸線與C軸電機(jī)35軸線正交。A軸電機(jī)31安裝在B軸電機(jī)33的轉(zhuǎn)動(dòng)端上，A軸電機(jī)31軸線與B軸電機(jī)33軸線正交。且A軸電機(jī)31、B軸電機(jī)33和C軸電機(jī)35的軸線交于一點(diǎn)。在本實(shí)施例中，A軸電機(jī)31、B軸電機(jī)33和C軸電機(jī)35為DD直驅(qū)馬達(dá)。

如圖4所示，A軸電機(jī)31通過(guò)A軸電機(jī)安裝座32安裝在B軸電機(jī)33的轉(zhuǎn)動(dòng)端上，B軸電機(jī)33通過(guò)B軸電機(jī)安裝座34安裝在C軸電機(jī)35的轉(zhuǎn)動(dòng)端上，C軸電機(jī)35通過(guò)C軸電機(jī)安裝座36安裝在Z向滑臺(tái)23的移動(dòng)端上。A軸電機(jī)安裝座32，B軸電機(jī)安裝座34和C軸電機(jī)安裝座36的具體結(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置。

如圖5和圖6所示，測(cè)量單元4包括粗糙度測(cè)頭41以及用于固定粗糙度測(cè)頭41的夾頭42，夾頭42安裝在A軸電機(jī)31的轉(zhuǎn)動(dòng)端上，粗糙度測(cè)頭41的探針411位于A軸電機(jī)31的軸線上。在本實(shí)施例中，夾頭42通過(guò)松緊螺栓實(shí)現(xiàn)對(duì)粗糙度測(cè)頭的夾持功能。

如圖7所示，粗糙度測(cè)頭41為觸針式，探針411掃描方式為橫向移動(dòng)式，因而可將較長(zhǎng)的粗糙度測(cè)頭探入狹小或受限的測(cè)量區(qū)間內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。

如圖8所示，本發(fā)明還提供一種基于上述測(cè)量裝置的負(fù)曲率直紋曲面表面粗糙度測(cè)量方法，包括以下步驟：

S1、將待測(cè)工件裝夾在工作平臺(tái)上，并確定機(jī)床原點(diǎn)和工件原點(diǎn)，將工件原點(diǎn)設(shè)定為基準(zhǔn)坐標(biāo)系原點(diǎn)。

S2、給定粗糙度測(cè)頭的探針沿待測(cè)點(diǎn)法向方向移動(dòng)的搜索距離L，以確定定位點(diǎn)。

S3、給定粗糙度測(cè)頭向定位點(diǎn)移動(dòng)的定位速度V₁，以及從定位點(diǎn)向待測(cè)點(diǎn)移動(dòng)的測(cè)量速度V₂。

S4、使定粗糙度測(cè)頭首先以給定的定位速度V₁從基準(zhǔn)坐標(biāo)系原點(diǎn)移動(dòng)至定位點(diǎn)，且到達(dá)的姿態(tài)為：探針的法線方向?yàn)榇郎y(cè)點(diǎn)的法向方向、探針的掃描方向?yàn)檠刂奔y曲面基線方向的切向方向；然后以測(cè)量速度V₂從定位點(diǎn)沿待測(cè)點(diǎn)的法向方向移動(dòng)，直至到達(dá)待測(cè)點(diǎn)；如圖1所示，根據(jù)直紋面的加工工藝可知，直紋曲面基線方向的切向量垂直于刀具的加工紋理方向。此時(shí)，粗糙度測(cè)頭定位成功。

S5、啟動(dòng)粗糙度測(cè)頭，探針開(kāi)始橫向掃描，存儲(chǔ)該點(diǎn)粗糙度測(cè)量數(shù)據(jù)，打印測(cè)量結(jié)果報(bào)表，完成粗糙度測(cè)量。

上述測(cè)量方法首先設(shè)定基準(zhǔn)坐標(biāo)系原點(diǎn)，然后給定搜索距離L、定位速度V₁以及測(cè)量速度V₂，通過(guò)粗糙度測(cè)頭的移動(dòng)時(shí)間可計(jì)算出定位點(diǎn)和待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)定位點(diǎn)和待測(cè)點(diǎn)的定位，可實(shí)現(xiàn)待測(cè)工件表面任一點(diǎn)的重復(fù)定點(diǎn)定位測(cè)量。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。